处理木质纤维素生物质的方法技术

描述了采用浓氨水(加入或不加入无水氨)处理生物质，以提供更具可及性和/或可消化性的结构性碳水化合物的方法。所述方法优选采用蒸汽来从所述生物质汽提回收氨。从所述结构性碳水化合物获得单糖的产率良好，具体地通过结构性碳水化合物的酶水解测定。单糖用作动物饲料和乙醇生产的能源。

【技术实现步骤摘要】
本申请是以下申请的分案申请申请日2007年4月30日；申请号2007800253944(PCT/US2007/010415);专利技术名称。 相关申请的交叉引用本申请要求2006年5月I日提交的美国临时申请60/796，375的优先权，所述申请通过引用其整体内容结合于本文中。 关于联邦资助研究或开发的申明不适用 关于政府权利的申明·不适用
技术介绍
(1)专利
本专利技术涉及采用浓氨水、优选采用氨气处理木质纤维素生物质来提高结构性碳水化合物(多糖)的可获得性的方法。优选采用加压蒸汽从生物质中汽提回收氨。具体地讲，本专利技术涉及使多糖有效转变成单糖(优选通过酶水解)的方法。 (2)相关技术描述已采用许多方法(例如浓或稀酸或碱、高温、各种形式的辐射)对木质纤维素生物质进行预处理来提取结构性碳水化合物，所述结构性碳水化合物用于获得用于不同用途的单糖。这些预处理的目标是提高随后通过化学或生物化学手段如酸催化、酶催化、发酵或动物消化从结构性碳水化合物获得单糖的速率和/或产率。通常，这些预处理由于以下几个原因达不到所需经济和技术性能1)许多预处理使一些糖降解成例如酸或醛，因此减少了产率并抑制了随后剩余糖的生物转化；2)当化学品用于预处理时，通常难以合理的成本回收这些化学品；3)残余化学品会负面影响下游转化工序；和4)许多预处理的效率有限，使得获得的结构性碳水化合物最终转化率(与糖降解反应导致的损失产率无关)对于竞争性エ艺而言在经济上仍为不足。因此，存在许多现有技术的方法，但它们具有包括上述的许多缺点。来自可再生植物生物质的足够廉价单糖可替代石油和其它矿物原料而成为化学和燃料エ业的基础。需要有效、经济的预处理来以高产率和可接受成本获得这些单糖。现有技术中广泛采用无水液氨或氨水溶液对植物生物质进行预处理。实例有以下专利和參考文献 Dale的美国专利4，600，590 Chou的美国专利4，644，060 Dale的美国专利5，037，663 Holtzapple 等的美国专利 5，171，592 Holtzapple 等的美国专利 5, 865, 898 Karsents等的美国专利5，939, 544 Bredereck等的美国专利5，473, 061Karstens 的美国专利 6，416，621 Dale等的美国专利6，106，888 Dale等的美国专利6，176，176 Felix, A.等，Anim. Prod.(畜牧业)5147-61 (1990)ffaiss, A. C, Jr.等，Journal of Animal Science (畜牧杂志)35No. I, IO9-Il2 (I972)。所有这些专利和公开物整体内容都结合于本文中。具体地讲，氨纤维爆裂(AFEX)代表用于将木质纤维素生物转化成こ醇的ー种独特、有效的预处理(Dale, B.E. ,1986.美国专利5，037，663 ；Dale, B. E. ,1991.美国专利 4,600,590 ；Alizadeh, H. , F. Teymouri, T. I. Gilbert, B. E. Dale, 2005, Pretreatmentof Switchgrass by Ammonia Fiber Explosion (通过氨纤维揚裂进行柳枝稷预处理)，Applied Biochemistry and Biotechnology (应用生物化学和生物技术)，121-124 :1133-1141 ；Dale, B. E. , 1991.美国专利 4，600，590 ;Dale，B. E.，1986.美国专利5，037，663)。AFEX预处理中，将木质纤维素生物质暴露于在足以保持氨为液相的压カ和适当温度(如约100°C )下的浓氨中。AFEX反应器中的停留时间通常不到30分钟，将预处理生物质减压(闪蒸)来终止AFEX反应。AFEX法不局限于对无水氨实施AFEX处理。在开始AFEX处理时，将ー些水加到生物质，使得所有无水氨立即转化成浓氨水混合物。当将AFEX结合到更广生物质转化工艺设计中吋，主要目标是回收AFEX预处理中所用的氨。如图I所述，现有氨回收设计(Eggeman, T. 2001. Ammonia Fiber ExplosionPretreatment for Bioethanol Production(用于生物こ醇生产的氨纤维揚裂预处理)，National Renewable Energy Laboratory (NREL) Subcontract No. LCO-I-3IO55-Ol)(国家可再生能源实验室转包合同LC0-1-31055-01)要求将氨压缩(通过闪蒸エ艺蒸发)并通过在干燥器中蒸发将仍接触已预处理固体的液氨分离。然后将所得蒸气(还包含水)输送到蒸馏柱以纯化氨。将来自塔的氨泵抽到一定压力，并与经压缩闪蒸的氨一起回收到AFEX反应器。图I显示了现有的氨回收方法。图I显示了包括密闭AFEX反应容器12的现有技术系统10，加压将生物质、水和氨引入密闭AFEX反应容器12中。阀Vl用来释放容器12的压力。将已处理生物质传送到热干燥器14。将经干燥的生物质转移出干燥器14以进行后道处理。通过冷凝器22将来自干燥器14的氨冷凝并输送到浆柱16。通过冷凝器18除去水并冷凝。氨在冷凝器20中冷凝并循环到容器12。在压缩机24中将氨气增压、冷凝并循环到容器12中。问题是所述方法将制备低产率的单糖和/或需要大量液氨或氨水溶液。 专利技术目的因此本专利技术的ー个目标是提供将采用浓氨水萃取结构性碳水化合物和有效回收所述氨有效地结合的方法。此外，本专利技术的ー个目标是提供能从所述结构性碳水化合物高产率地生产单糖的经济方法。通过參考以下说明书和附图，这些和其它目标将变得显而易见。 专利技术概述本专利技术涉及处理木质纤维素生物质中结构性碳水化合物的方法，所述方法包括(a)在50°C以上、大气压以上压カ的密闭容器中，使生物质和热的氨水溶液(具有浓度超过约30%重量的氨)反应，同时控制温度、氨与干生物质的质量比及水与干生物质的质量比来提高所述结构性碳水化合物的可消化性和/或可及性；(b)快速释放容器中的压カ；(C)从所述生物质和溶液中回收至少ー些氨和氢氧化铵；和(d)任选通过酶、微生物转化或动物消化法进ー步加工经处理生物质。优选在步骤(d)中将结构性碳水化合物作为葡萄糖、木糖、阿拉伯糖和其它糖的混合物回收。优选所得结构性碳水化合物可通过进ー步处理利用，所述进ー步处理为产生有机酸、醇和其它副产物的微生物转化方法。优选通过所述方法可获得的碳水化合物通过动物消化法用于反刍动物或非反刍动物饲料。优选密闭容器中氨、生物质和水混合物的温度为约50°c -120°c。优选密闭容器中的压カ为约4-50atm。优选将氨气加入容器中来填充容器中的所有空隙空间。氨处理不直接使大部分生物质溶解。大约20%半纤维素(主要为木聚糖聚合物)可被增溶，但基本上没有葡聚糖结构的多糖(纤维素)被增溶。它们被“活化”或提供了高得多的水解可能性。术语“结构性碳水化合物”是指纤维素和半纤维素。本专利技术还涉及处理含植物生物质(包含结构性碳水化合物和天然存在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种处理含有结构性碳水化合物的木质纤维素生物质的方法，所述方法包括：将氨蒸气和水蒸气在升高的温度下加入到含有木质纤维素生物质的密闭容器中，使得在所述木质纤维素生物质中的结构性碳水化合物更易于发生水解。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：BE达尔，
申请(专利权)人：密执安州大学，达特茅斯学院，
类型：发明
国别省市：